低功率纳米技术及其它敏感器件的测量系统-锁定放大器测试

在敏感伏安特性和电阻值的测量中，测试装置通常由两部分组成：电流源以及电压测试装置。研究人员使用锁定放大器测试法时一般选择传统电源，因为精密交流电流源在这里无法简单使用。

锁定放大器[1]测试法。锁定放大器可以用来测量微小交流信号，有时可达纳伏[2]级。通过使用这种装置，即使噪声信号大于有效信号也可进行精确测量。锁定放大器使用一种叫做相敏检波的技术来选出具有某一特定频率的信号。其他频率的噪声信号大部分都被忽略。因为锁定放大器只会处理测试频率上或与之接近的交流信号，热电效应[3]（直流与交流）的影响也都会被减弱。
 
图1是一个锁定放大器在低功率条件下检测元件电压的简化框图。通过在测试对象和串联电阻RREF上施加电压(A sin[2π fo t])来获得一个电流。通常选择的电阻RREF都会比测试对象阻值大许多倍，这样这种电路可以看作是驱动测试对象的近似电流源。

图1  锁定放大器测量设置的简化框图
 
 
放大后的测试对象电压会分别与外加源同频同相位的正交参考信号相乘，然后再分别通过低通滤波器。这其中的乘法器和滤波器可通过模拟电路来实现，但如今更普遍的方法是在锁定放大器内部进行数字化，然后采用数字方法实现。
在频率点fo，低通滤波器[4]的输出是电压的实部（同相位）和虚部（90度相位）。研究人员基于预设的电流和测得的电压值来分别计算测试对象的阻值。
使用锁定放大器[5]的研究人员通常使仪器工作在相对较低的频率上，比如50Hz以下。选择低频有许多原因：（1）得到远低于测试对象和互联的衰减频率以进行精确测量；（2）避免电源频率处的噪声；和（3）获得远低于电磁干扰滤波器的截止频率，该滤波器用于防止环境噪声影响测试对象。